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摘要—我们报道了行业首个在300mm尺度上使用W2W混合键合实现全功能1.87μm像素间距静态Micro-LED显示器的演示。高分辨率Micro-LED使用CMOS兼容工艺流程在300mm GaN/Si衬底上制造。完全制造的显示晶圆随后通过W2W混合键合键合到CMOS驱动晶圆上。在大型像素阵列上确认了静态显示功能，进一步验证了该方法用于HVM规模放大的可行性。

关键词—Micro-LED，300mm尺度，CMOS兼容性，超高密度，W2W混合键合，HVM

文章名：Ultra High Resolution Micro-LED Display Enablement at 300mm Using W2W Hybrid Bonding for AI and AR Applications 

作者：Raghav Sreenivasan 、 Abhishek Bhat、Jason Appell、Sangwoo Lim  

单位：

1.Applied Materials Santa Clara, CA, USA 

2.Mojo Vision Cupertino, CA 

3.Applied Materials Albany, NY, USA

引言

人工智能（AI）工作负载的指数级增长推动了对数据中心架构中高带宽、低延迟和高能效互连解决方案的迫切需求。传统Cu互连日益受到带宽密度、热限制和IR损耗的约束。光通信提供了一种引人注目的替代方案，而microLED技术的最新进展为芯片到芯片光互连带来了变革性机遇。GaN Micro-LED已获得动力，可在长距离以<1pJ/bit传输和接收>10Tbps数据（图1）。这些应用的关键使能因素是能够扩展到300mm GaN/Si外延生长和晶圆制造，以利用已建立的300mm CMOS和代工基础设施。

图1 GaN/Si与CMOS在300mm上的混合集成改变了价格/性能范式，并打开了大型市场机会的大门。

在本工作中，使用55nm超低功耗（ULP）CMOS无源背板，每像素3个晶体管用于脉宽（PWM）、脉冲幅度（PAM）和时域（TDM）调制。单色像素的最大电流限制设定为约3uA，对应于全显示器的约160A/cm²。通过分离模拟和数字电源轨，最大LED Vf设定为约4V。图2显示了72个模拟驱动器在3位GPAM电流范围（3000nA至430nA）内的电流均匀性。在本文中，我们展示了首个在300mm完全制造的W2W键合GaN/Si动态显示器，Micro-LED间距为1.87um。

图2 模拟驱动器组的均匀性作为GPAM 3位输入的函数。

实验与结果

Micro-LED显示器件（图3(a)）由高密度像素的六边形区域组成，周围环绕公共n接触区域。集成流程包括3个关键模块：(i) GaN外延生长和p-GaN活化，(ii) GaN二极管制造，(iii) GaN-CMOS混合键合和键合后处理（图3(b)）。GaN外延生长和衬底减薄已在先前出版物中详细描述[1]。本文将重点介绍实现全功能显示器所需的模块(ii)和(iii)。

图3 (a) Micro-LED显示器件布局 (b) 带关键模块的集成工艺流程。

GaN二极管制造

GaN二极管的制造始于使用光刻和刻蚀定义1.37×1.37um方形像素，像素间距0.5um。像素刻蚀在Applied的SYM3平台上优化，以创建抛物线形状并最小化侧壁粗糙度，从而最大化光提取效率。随后进行薄ALD Al₂O₃钝化层以减少侧壁复合。然后用SiO₂填充沟槽并抛光，选择性地停在ITO上（图4(a)）。

图4 (a) 带Al₂O₃侧壁钝化和SiO₂隔离的像素定义 (b) 使用Al插塞连接埋入n⁺-GaN的n接触。

下一步是形成公共n接触。这通过在GaN堆叠中刻蚀1.5um深沟槽以接触埋入的n⁺-GaN层来实现。沟槽用铝填充并抛光平坦化。所得结构如图4(b)所示。为增强光提取，在像素阵列顶部集成了反射镜。优化了反射镜堆叠以实现高反射率和低Rc到ITO，以改善光提取效率（图5）。

图5 用于改善光提取效率并提供与ITO稳健电接触的反射镜堆叠。

GaN-CMOS混合键合

在GaN和CMOS晶圆上创建了两层单大马士革Cu焊盘，为混合键合做准备。键合层电介质、金属化和CMP经过协同优化，以提供高键合强度和亚纳米Cu凹陷，实现稳健键合[2,3]。图6(a)显示了准备好键合的带Cu焊盘的完全处理300mm GaN晶圆。图6(b)、6(c)显示了像素和n接触区域，具有优异的对准和清洁界面。

图6 (a) 完全处理的300mm µLED晶圆 (b) 像素区域，Cu键合焊盘连接到反射镜 (c) n接触区域，Cu键合焊盘通过反射镜层连接到Al插塞。

晶圆级电学测试确认了良好的器件功能，像素发光（图7(a)）。像素I-V特性显示典型二极管导通，Vf约3.0V（图7(b)）。二极管特性在整个晶圆上均匀，晶圆级良率为77%（图7(c)）。失效区域位于晶圆中心和边缘，与已知的来料GaN外延缺陷相关性良好。

图7 (a) 晶圆级像素发光 (b) 二极管I-V特性显示Vf @ 3V (c) 晶圆级二极管良率——失效区域与已知外延缺陷映射良好。

在键合前，GaN和CMOS晶圆分别实现了<100um和<25um的来料翘曲。晶圆用N₂等离子体活化，并在EVG Gemini键合机上键合。键合对在350°C下进行1小时键合后烘箱退火。清洁的CSAM确认了无空洞键合（图8(a)），在95%晶圆面积上测量的套刻未对准低至135nm（图8(b)）。完整堆叠的x-TEM分析进一步证实了优异的键合，具有原始的Cu-Cu和氧化物-氧化物界面（图8(c)）。

图8 使用W2W混合键合将完全制造的GaN晶圆键合到CMOS驱动器 (a) 无空洞CSAM (b) 套刻图显示95%晶圆面积上135nm未对准 (c) x-TEM显示稳健键合和清洁界面。

键合后处理包括体硅研磨减薄至12 μm厚度，然后进行硅反应离子刻蚀（RIE）以选择性停在AlN层上（图9(a)）。随后，使用CMP抛光AlN+GaN层以达到最终1.5 μm的GaN厚度（图9(b)）。定义了Al测试焊盘以通过CMOS驱动电路实现显示器的电学测试。

图9 键合后晶圆处理 (a) 选择性Si RIE后停在AlN层上 (b) AlN+GaN抛光后将GaN减薄至1.5um。

显示功能

在全堆叠器件上确认了静态显示功能（图10），具有优异的二极管特性。单个像素以高亮度发光，进一步验证了整个堆叠的光提取效率以及像素之间的优异光学隔离。动态显示测试仍在进行中。

图10 Mojo 14kPPI显示器上单个1.37um像素点亮。

结论

GaN Micro-LED正处于改变多个市场的边缘，包括显示（AR、大尺寸、移动）和AI数据中心通信。实现市场影响的关键是在整个工艺中扩展到300mm的能力。在本文中，我们展示了首个300mm GaN/Si Micro-LED器件与300mm CMOS进行W2W混合键合。